[技术]衍射级次偏振态的研究 [复制链接]

摘要 *JiI>[  
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光栅结构广泛应用于各种光学应用场景，如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM，也称为RCWA)，为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此，复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置，这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中，详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 0G(|`xG1q  
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任务说明 Dh)(?"^9A  
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简要介绍衍射效率与偏振理论 q)OCY}QA  
某个衍射级次（𝑛）的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的，瑞利系数包含了每个衍射级次（矢量）电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 FA}y"I'W  
如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数，则可以计算衍射效率： \-r"%@OkW  
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其中，n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率，ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外，𝐴表示辐射光的振幅。 kp^q}iS  
如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数，则必须应用以下方程： =&WH9IKz  
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因此，必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下，光栅坐标系中为。 ?vmoRX  
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光栅结构参数 L`"V_ "Q#0  
研究了一种矩形光栅结构。 &A~hM[-  
为了简化设置，选择光栅配置，只允许零阶(R_0)反射传播。 O[F  
根据上述参数选择以下光栅参数： W:O
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光栅周期：250 nm @nIoIz D~  
填充因子：0.5 Fmzkbt~oe  
光栅高度：200 nm zEi\#Zg$  
材料n_1：熔融石英（来自目录） 6bT>x5?  
材料n_2：二氧化钛（来自目录） TEi1,yc  
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偏振态分析 'ji|'x T  
现在，用TE偏振光照射光栅，并应用圆锥入射角（𝜑）变量。 a7jE*%f9  
如前所述，瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 3e)$<e  
为了接收瑞利系数作为检测器的结果，需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出，并选择所需的系数。 )a<MW66  
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模拟光栅的偏振态 4mnVXKt%.  
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b;5 M$  
瑞利系数现在提供了偏振态的信息：  huvn_  
在圆锥入射角为0（𝜑=0）时，。这说明衍射光是完全偏振的。 m+xub*/  
对于𝜑=22°，。此时，67%的光是TM偏振的。 q2*1Gn9!j  
对于𝜑>50°，系数接近为常数，因此偏振态也是常数。 B(Er/\-@U  
XT1P. w[aA  
Passilly等人更深入的光栅案例。 5 hW#BB  
Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态，以获得不同状态之间的高度转换。 A[uB)wWsn  
因此，他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 }4kQu#0o")  
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光栅结构参数 V,]Fh5f  
在本文中，研究了两种不同的制备光栅结构。 \=Od1i  
由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的，而且确实可以观察到：在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 0bteI*L  
由于缺少关于制作结构的细节，我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 WAJKP"  
但是如果有可用数据，就可以详细分析光栅的复杂形状。 jtgj h\Nt  
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光栅#1——参数 MhIHfW]b  
假设侧壁倾斜为线性。 -K/c~'%'*  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 yJMo/!DZ  
为了实现光栅脊的梯形形状，采用了倾斜光栅介质。 @TJ  
光栅周期：250 nm Xh}G=1}  
光栅高度：660 nm 2?:'p[z"]  
填充因子：0.75（底部） Ok<,_yh  
侧壁角度：±6° yatZAl(B  
n_1：1.46 U^]@0vR  
n_2：2.08 m$7C{Mr'  
P_)=sj!>-  
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光栅#1——结果 N_d{E/  
这两幅图对比之下匹配度很高，特别是图表的趋势。 ay]l\d2!3  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 rU|?3x  
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光栅#2——参数 ^ 4*#QtO  
假设光栅为矩形。 z<gII~%  
忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 ElKMd  
矩形光栅足以表示这种光栅结构。 #/HZ[Vw  
光栅周期：250 nm _%#Uh#7P$  
光栅高度：490 nm dA<_`GFR  
填充因子：0.5 %,e,KcP'  
n_1：1.46 8C@6 b4VK  
n_2：2.08 9 9^7Ek!z#  
@!^Y_q  
+ WT?p]  
u=Xpu,q  
光栅#2——结果 `ZT/lB`  
这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度，特别是图表的趋势。 wN^^_  
与参考文献相比，仿真中光栅结构进行了简化，存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据，这种简化是必要的。 u?F.%j-  
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